DE4233393A1 - Einrichtung zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Einrichtung ist bekannt aus DD 01 51 999. Dort ist eine flache Spiralfeder oder eine Schraubenfeder beschrieben, die mit Dehnungsmeßstreifen beklebt ist.

Wollte man die bekannte Einrichtung für die Messung großer Winkel (über 360°) bemessen, so wäre eine Feder mit vielen Windungen zu verwenden. Das wäre nicht unproblematisch, weil eine solche Feder im Betrieb durchhängen kann oder zu Schwingungen neigt, wodurch Meßfehler entstehen.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung anzugeben, die weniger störanfällig ist und - soweit die Winkel-Kodierung betroffen ist - auch für große Winkelbereiche geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Federmembran, die nicht notwendigerweise rund sein muß, sondern z. B. achteckig sein kann, kann als billiges Stanzteil hergestellt werden. Dieses kann kostengünstig mit einem oder mehreren Meßgebern, z. B. Dehnungsmeßstreifen, kostengünstig dickschichtbedruckt werden. Die zwischen den insbesondere parallel zueinander verlaufenden Schlitzen in der Federmembran befindlichen Blattfedern sind mechanisch neben- und/oder hintereinandergeschaltet. Entsprechend dieser Hintereinanderschaltung lassen sich auch die auf den Blattfedern vorgesehenen Meßgeber elektrisch hintereinander bzw. parallel schalten oder läßt sich ein langgestreckter Meßgeber (z. B. Dehnungsmeßstreifen) über viele der Blattfedern (die mechanisch hinter- oder parallelgeschaltet sind) führen, so daß sich die Meßwerte der einzelnen Dehnungen der Blattfedern elektrisch addieren.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele beschrieben und die Erfindung wird näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Federmembran,

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur analogen Winkel-Kodierung,

Fig. 3 gibt eine solche Einrichtung für einen größeren Winkelbereich wieder,

Fig. 4 stellt eine andere Federmembran dar als Fig. 1.

In Fig. 1 weist eine Federmembran 1 aus gestanztem Blech Schlitze 2 bis 21 auf. Jeweils vier Schlitze liegen auf einer kreisförmigen Linie. Auf den insgesamt fünf konzentrischen Kreisen, auf denen jeweils vier Schlitze liegen, sind die Schlitze in Richtung der Kreislinienzüge gegeneinander versetzt.

Zwischen den Schlitzen von einander benachbarten Kreisen sind durch die Schlitzung Blattfedern, z. B. B, entstanden, die sich biegen, wenn der äußere Membranrand gegenüber dem inneren ich Achsrichtung verschoben wird.

Über alle Blattfedern führt ein Dehnungsmeßstreifen 22, der elektrische Anschlüsse 23 und 24 aufweist.

In Fig. 2 sind zwei solche Federmembranen nach Fig. 1, nämlich die Federmembranen 1a und 1b außen an einer Gehäusewand 25 und innen an einer Wandermutter 26 befestigt. Die Wandermutter läuft auf dem Außengewinde einer Welle 27, deren Winkelstellung mit Hilfe der Einrichtung nach Fig. 2 kodiert werden soll. Dazu werden die elektrischen Signale an den Klemmen 23a, 24a und 23b, 24b der Dehnungsmeßstreifen der Federmembranen 1a und 1b abgegriffen. Eine Schraubenfeder 27 drückt gegen die Wandermutter 26, um Hysterese zu vermeiden.

Die Dehnungsmeßstreifen 22a und 22b befinden sich auf der Oberseite der Federmembran 1a bzw. auf der Unterseite der Federmembran 1b. Wenn die Wandermutter 26 z. B. nach oben wandert, so stellt der Dehnungsmeßstreifen 22a eine Entspannung und dem Dehnungsmeßstreifen 22b eine Zunahme der Dehnung fest. Werden die zugehörigen Meßwerte an den Klemmen 23a, 24a bzw. 23b, 24b, also die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifen 22a und 22b voneinander subtrahiert, findet also ein Betrieb im Gegentakt statt, so werden Nichtlinearitäten im Widerstandsverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 27 weitgehend eliminiert, d. h. die Differenz der Widerstandswerte ist weitgehend dem Drehwinkel proportional.

In bekannter Weise ist an der Gehäusewand 25 noch ein sogenannter Nullsensor 28 vorgesehen, der mit einem Permanentmagneten 29 an einem Arm 30 der Welle 27 zusammenwirkt und bei jeder Umdrehung der Welle 27 deren Nullstellung feststellt.

In Fig. 3 ist eine Weiterbildung von Fig. 2 für sehr große Winkelbereiche angedeutet. Hier sind anstelle der Federmembranen 1a und 1b in Fig. 2 jeweils mehrere Federmembranen 31 bis 35 und 36 bis 40 mechanisch hintereinandergeschaltet. Die Widerstände der zugehörigen Dehnungsmeßstreifen sind zu Gesamtwiderständen R1 und R2 zusammengefaßt. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Federmembranen zu einer balgartigen Anordnung kann sich die Wandermutter 26 in einem größeren Bereich auf und ab bewegen, ohne eine allzugroße Deformierung einer einzelnen Federmembran zu erzeugen. Eine allzugroße Deformierung würde nämlich dazu führen, daß der lineare Bereich zwischen dem Widerstandsverlauf des zugehörigen Dehnungsmeßstreifens und der Winkelstellung der Welle 27 verlassen würde.

Anstelle des in den Fig. 2 und 3 verwendeten Schneckengetriebes mit Wandermutter wäre es auch möglich, andere Mittel zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine transiatorische Bewegung vorzusehen, z. B. eine Winde mit Seil, das von der Winde aufgewickelt wird und in der Mitte der Federmembran nach Fig. 1 angreift, um diese kegelförmig zu verformen.

Jedoch zeichnen sich die Einrichtungen nach diesen Fig. 2 und 3 durch die Möglichkeit einer einfachen Montage aus. Die Verwendung eines Kunststoffgehäuses ist möglich, da (anders als z. B. bei induktiven Anordnungen) keine Abschirmprobleme auftreten. Die schematisch dargestellten Einrichtungen sind außerdem unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit.

Mit Fig. 4 soll noch auf eine Möglichkeit hingewiesen werden, die Empfindlichkeit der Membran nach Fig. 1 zu steigern, d. h. die Steilheit des Widerstandsverlaufes des Dehnungsmeßstreifens auf der Federmembran in Abhängigkeit von der Verformung der Federmembran (oder in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Einrichtung nach Fig. 2) zu erhöhen. Wenn die Federmembran nach Fig. 1 aus ihrer entspannten (insbesondere flachen) Lage zu einer kegelähnlichen Form verformt wird, so werden die Blattfedern B (Fig. 1), die im entspannten Zustand flach sind, S-förmig verformt. Der auf einer Seite angebrachte Dehnungsmeßstreifen 22 wird entsprechend seinem S-förmigen oder wellenförmigen Verlauf teils gestaucht und teils gedehnt. In Summe wird der Dehnungsmeßstreifen 22 dann, wenn die Membran von ihrer flachen Gestalt in eine kegelförmige überführt wird, mehr gedehnt als gestaucht, aber die Steilheit des Widerstandsverlaufes ist eingeschränkt, weil ein Teil der Dehnungen des Dehnungsmeßstreifens durch Stauchungen kompensiert wird. Weiterhin wird die Steilheit durch den Gegentaktbetrieb nach Fig. 2 reduziert, wo die Federmembranen 1a und 1b in der dargestellten Nullage bereits vorverformt sind. Bewegt sich die Wandermutter z. B. nach oben, so wird der obere Oberflächenteil der Federmembran 1a schrumpfen, die Dehnung des Dehnungsmeßstreitens 22a also abnehmen, während der untere Oberflächenteil der Federmembran 1b sich ausdehnt, der Dehnungsmeßstreifen 22b also gedehnt wird. Durch die Subtraktion der Widerstandswerte der beiden Dehnungsmeßstreifen ergibt sich eine Reduktion der Gesamtsteilheit, wenn dadurch auch eine Linearisierung erzielt wird.

In Fig. 4 ist eine Möglichkeit angedeutet, wie die Steilheit vergrößert werden kann. Der Dehnungsmeßstreifen 22c ist stückweise durch starke Linien und stückweise durch unterbrochene Linien dargestellt. Nimmt man z. B. an, daß der Innenrand der dargestellten Federmembran in der Zeichnungsebene bleibt und der Außenrand angehoben wird, so kann man sich vorstellen, daß die durch Schraffur hervorgehobene Blattfeder B im Bereich A konvex und im Bereich C konkav verformt wird. Entsprechend wird der Dehnungsmeßstreifen im Bereich A gedehnt. Damit er im Bereich c nicht gestaucht wird, ist er im Punkt D durch die Membran hindurch auf deren Rückseite geführt, verläuft also im Bereich C (und weiter bis zur nächsten Durchführung D′ in der Blattfeder B′) auf der Rückseite der Federmembran. Hier wird der Dehnungsmeßstreifen nun auch gedehnt, so daß schließlich der gesamte Dehnungsmeßstreifen 22c eine Dehnung erfährt.

Eine andere Möglichkeit der Verbesserung der Steilheit des Widerstandsverlaufes in Abhängigkeit von der Verformung der Federmembran besteht darin, keine Durchführungen D, D′ vorzusehen, sondern den Dehnungsmeßstreifen im Bereich A breiter und/oder dicker auszuführen als im Bereich C. Der Widerstandswert im Bereich einer Blattfeder B setzt sich dann aus dem höheren Widerstand im Bereich C und dem niedrigeren Widerstand im Bereich A zusammen. In Summe wirkt sich eine prozentuale Widerstandsänderung im Bereich C mehr aus als im Bereich A, so daß die Steilheit der gesamten Widerstandskurve größer ist, als wenn der Dehnungsmeßstreifen 22c über seine ganze Länge konstanten Querschnitt hätte. Wird der Dehnungsmeßstreifen auf gedruckt, so läßt sich zumindest eine Breitenvariation sehr leicht realisieren.

Claims (14)

1. Einrichtung zur analogen Weg- oder Winkel-Kodierung mit einer Feder, die weg- bzw. winkelabhängig spannbar und entspannbar ist und die mit wenigstens einem auf Torsionen, Biegungen oder Dehnungen reagierenden Meßgeber versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder Teil eines Systems von Blattfedern (B) ist, das aus einer Federmembran (1) besteht, die durch Schlitze (2-21) in die Blattfedern (B) aufgeteilt ist, die mechanisch hinter- und/oder nebeneinandergeschaltet und mit dem Meßgeber (22) versehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Schlitze (2, 4, 6, 8) in einer Linie liegen und die Schlitze einer Linie gegenüber den Schlitzen (3, 5, 7, 9) einer benachbarten Linie in deren Richtung versetzt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien Kreise sind.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) streifenförmig ist und sich über mehrere Blattfedern (B, B′) erstreckt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber ein Dehnungsmeßstreifen (22) ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) in einem vorgegebenen Zustand des Systems vorwiegend auf den gedehnten oder vorwiegend auf den gestauchten Seiten der Blattfedern (B, B′) verläuft.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber dort besonders empfindlich ausgebildet ist, wo er in einem vorgegebenen Zustand des Systems entweder auf den gedehnten (A) oder auf den gestauchten (C) Seiten der Blattfedern (B) verläuft.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeber (22) aufgedruckt ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegensinnig durchbiegende Federmembranen (1a, 1b) vorgesehen sind, deren Meßgeber (22a, 22b) in einer Gegentaktschaltung angeordnet sind.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Federmembranen (31 bis 40) nach Art von wechselweise gegensinnig aufgetürmten Tellerfedern vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Winkelkodierung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die zur Umsetzung einer Drehung oder Schwenkung um den zu kodierenden Winkel in eine transiatorische Verlagerung eines Körpers (26) dienen und welche die Federmembran (1a, 1b) elastisch zu verformen imstande sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als Schneckengetriebe ausgestattet sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandermutter (26) des Schneckengetriebes durch eine Feder (27a) in Achsrichtung vorgespannt ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nullpunktsensor (28) vorgesehen ist.